過電圧保護回路：種類、機能、信頼性の高い電源向けDIYプロジェクト

電源故障などによる過電圧状態を経験したり、耳にしたりしたことはありませんか？過電圧の影響（火災、回路誤動作、部品破損など）を目にしたこともあるでしょう。電源で過電圧状態を防ぐにはどうすればいいですか？

本記事を読めば、使用可能な過電圧保護回路プロジェクトの種類と、理解しやすい回路図を学べます。始めましょう。

過電圧保護とは？

過電圧保護は、出力をクランプするか、電圧レベルがプリセットレベルを超えたときに電源をシャットダウンする電源機能です。多くの電源デバイスの電子部品を損傷から守るためのもので、現在、自動車用途など様々なアプリケーションで広く採用されています。

(自動車)

過電圧保護の種類

過電圧保護の種類はコスト、性能、複雑さによって異なりますが、すべて効率的な電源過電圧保護を実現します。最も一般的な3つは：

SCR（シリコン制御整流器）クローバー

SCRクローバー回路は、電源出力に短絡経路を作ることで過電圧を防ぎます。SCRサイリスタは大電流をスイッチングでき、電荷が分散するまでアクティブなままです。また、SCRをヒューズにリンクバックさせれば、ヒューズが溶断してレギュレータへの更なる電圧印加を防げます。

SCRクローバー回路

この回路では、ツェナーダイオードが出力動作電圧より高い電圧を維持し、同時に回路損傷を防ぐ低電圧レベルも維持します。したがって、ツェナーダイオードは降伏電圧を得られないため導通時でも電流は流れず、サイリスタもオフのままです。しかし、電源は通常通り動作します。

(ツェナーダイオード)

DC電源のシリーズパストランジスタが故障すると電圧が上昇します。ユニットのデカップリングにより電圧の瞬間的上昇は抑制されます。電圧上昇がツェナーダイオードの導通開始点に達すると、サイリスタゲートに電流が流れてトリガーされます。トリガー後、サイリスタが電源出力をグランドに短絡し、回路への損傷を防ぎます。この短絡でヒューズを溶断させ、電圧レギュレータから電力を迂回させ、ユニットへの更なる損傷を防止できます。

(サイリスタ)

サイリスタゲートからグランドへ小容量コンデンサをデカップリング用に配置することもあります。目的は、デカップリングチームが受電するRFや鋭いトランジェントを防ぐことです。これによりRFがゲート接続に到達せず、誤トリガーを防ぎます。大きなデカップリングは、現実的な故障ケースでも過電圧保護の動作を遅らせるため避けてください。

電圧クランピング

電圧クランピングは第2の過電圧保護形態です。

電圧クランピング回路

レギュレート電源出力にツェナーダイオードを並列接続します。ツェナーダイオード電圧は最大レール電圧よりわずかに高く設定されるため、通常は導通しません。しかし、電圧が高くなりすぎると導通を開始し、レール電圧より高い値で電圧をクランプします。レギュレート電源により高い電流能力が必要なら、ツェナーダイオードにトランジスタバッファを追加します。ツェナーダイオードの電流能力がトランジスタの電流利得倍になります。パワートランジスタが必要なため、電流利得は20〜50程度になります。

電圧制限

電圧制限は、スイッチモード電源での過電圧保護タイプです。スイッチモードレギュレータは通常低電圧条件では動作しませんが、過電圧条件に備えて電圧制限デバイスを用意することが推奨されます。電圧制限は、過電圧状態を検知してコンバータ（DC-DCコンバータなど）をシャットダウンさせる方式です。DC-DCコンバータとスイッチモードレギュレータは多くの場合チップで制御されます。レギュレータチップの損傷による過電圧が検知機構も損傷させる可能性があるため、ICレギュレータの外部にセンスループを設ける必要があります。

注意：

使用するスイッチモードレギュレータチップと特定回路に特化した回路設計が必要です。

スイッチモード/スイッチドレギュレータ

過電圧保護回路プロジェクト

過電圧の継続時間と大きさによって、より良い保護のための回路設計が決まります。ここでは2つのプロジェクトを紹介します。

ツェナー電圧レギュレータ回路

ツェナー電圧レギュレータには2つの機能があります：

• 過電圧保護
• 入力電源電圧の調整

ツェナー電圧レギュレータ回路

上記回路のプリセットレベルはツェナーダイオード定格です。約5.1Vの閾値では導通しません。プリセット値とは、負荷側電源を切り離す高閾値電圧です。また、トランジスタQ1のベース-エミッタ電圧が導通を決定します。回路出力電圧が上昇するとトランジスタのVbeが上昇し導通が減少、結果として出力電圧が低下し持続可能なレベルに維持されます。

ツェナーダイオードを用いた過電圧保護回路

この第2の過電圧保護回路では、PNPトランジスタとツェナーダイオードを使用します。正確なツェナーダイオード値を見つけるのは難しいため、プリセット値に近い定格を選びます。

部品リスト

• ブレッドボード
• FMMT718 PNPトランジスタ
• 接続ワイヤー
• 抵抗（1kΩ、2.2kΩ、6.8kΩ）
• ツェナーダイオード 5.1V (1N4740A)

ツェナーダイオードを用いた過電圧保護回路

過電圧保護回路の動作原理

通常動作時の電圧がプリセットレベルより高い場合、Q2のベース端子電圧が上昇し、PNPトランジスタであるQ2がオフになります。Q2オフでQ1のベース端子がローになり電流が流れます。逆に、プリセット値より電圧が高い場合、ツェナーダイオードが導通し、Q2のベースをグランドに接続してQ2をオンにします。Q2オンでQ1のベースがハイになり、オープンスイッチのように振る舞って電流を制限し、過剰電圧から負荷を守ります。トランジスタの電圧降下を低く保つことで正確な回路読み取りが可能です。ここでは低VCE飽和電圧のFMMT718 PNPトランジスタを使用し、トランジスタ間の降下を最小限に抑えています。

回路の欠点

電力損失： 直列抵抗による発熱でエネルギーを浪費します。

まとめ

現代の電源は日常業務で疑いなく信頼できます。しかし、過電圧などの要因で故障する可能性があります。したがって、過電圧保護手段を持つことは必要です。上記の包括的ガイドであなたの回路は安全です。それでも気になる点があれば、ご連絡ください。